Lernen mit Spaß!

Verbessere deine Noten mit sofatutor!

Lernen mit Spaß!

sofatutor kostenlos testen!

14.081+

14.081+ Bewertungen

Zweitsubstitution am Aromaten

Du möchtest schneller & einfacher lernen?

Dann nutze doch Erklärvideos & übe mit Lernspielen für die Schule.

Kostenlos testen
Bewertung

Ø 3.6 / 9 Bewertungen

Die Autor*innen
Avatar
André Otto
Zweitsubstitution am Aromaten
lernst du in der Oberstufe 7. Klasse - 8. Klasse - 9. Klasse

Grundlagen zum Thema Zweitsubstitution am Aromaten

In diesem Video geht es um die Zweitsubstitution am Aromaten. Dazu wird zunächst noch einmal die elektrophile Substitution am Ring wiederholt, bevor dann die Zweitsubstitution erläutert wird. Dazu werden zwei unterschiedlich substituierte Aromaten betrachte sowie die Verteilung von ortho-, para- und meta-Substituenten. Aus dieser Betrachtung ergibt sich, dass es verschiedene Substituenten gibt, welche die Zweitsubstitution beeinflussen und somit die Verteilung bestimmen. Man spricht von Substituenten erster und zweiter Ordnung, deren Eigenschaften beschrieben und an verschiedenen Beispielen erklärt werden. Wenn du mehr dazu erfahren willst, dann schau dir das Video an.

Transkript Zweitsubstitution am Aromaten

Guten Tag und herzlich willkommen liebe Freundinnen und Freunde der Chemie. In diesem Video geht es um Zweitsubstitution am Aromaten. An nötigen Vorkenntnissen benötigt ihr Wissen über die elektrophile Substitution am Ring, den π-Komplex und den σ-Komplex. Entsprechende Videos findet ihr in dieser Plattform zu genüge. Mein Ziel ist es die Wirkung eines vorhanden Substituenten am Benzolring auf die Zweitsubstitution zu erläutern und auch eine einfache und einleuchtende Erklärung zu liefern. Der Film gehört zur Reihe Reaktionsmechanismen.

Er ist in 6 Abschnitte gegliedert: 1. Noch mal ganz kurz: elektrophile Substitution am Ring 2. Nitrierung von Toluol und Nitrobenzol 3. Wir erklären den Unterschied 4. Wir schaffen Ordnung 5. Die Halogene tanzen aus der Reihe und 6. Zusammenfassung

1. Noch mal ganz kurz: elektrophile Substitution am Ring Benzol (1) reagiert mit einem Elektrophil E+ in einer Gleichgewichtsreaktion zu einem π-Komplex (2a). Aus diesem entsteht, durch eine weitere Gleichgewichtsreaktion, der σ-Komplex (2b), dargestellt durch (3) mesomere Grenzstrukturen oder, zusammengefasst durch die geschweifte Klammer in der Hybridstruktur. Nach Abspaltung eines Protons H+ entsteht die substituierte Verbindung (3). 

  1. Nitrierung von Toluol und Nitrobenzol Einfach methyliertes Benzol bezeichnet man als Toluol. Einfach nitriertes Benzol bezeichnet man als Nitrobenzol. Wie viel Möglichkeiten der Zweitsubstitution gibt es für diese Moleküle? Unter Berücksichtigung der Symmetrie erhält man die Zahl 3, nämlich die Stellung ortho, direkt im Nachbarschaft zum Substituenten. Oder meta, noch ein Kohlenstoffatom weiter. Oder schließlich para, die entfernteste Stellung des Substituenten. Man kürzt auch ab: ortho - o, meta - m und para - p. Und das Gleiche für Nitrobenzol: o wie ortho, m wie meta und p wie para. Nach der statistischen Verteilung müsste man nach der Reaktion mit folgenden Verhältnissen rechnen: 40 % ortho, 40 % meta und 20 % para. Das Gleiche bei Nitrobenzol: 40 % ortho, 40 % meta und 20 % para. Was sagt nun das Experiment? 65 % ortho, nur 5 % meta, aber 30 % para. Auch bei Nitrobenzol gibt es keine Übereinstimmung: 6 % ortho, gewaltige 93 % meta und nur 1 % para. Von statistischer Verteilung kann hier offensichtlich keine Rede sein. Aber auch die Verteilungen von Toluol und Nitrobenzol stimmen nicht überein. Wie kann man das erklären? 

  2. Wir erklären den Unterschied Was wurde in dem Experiment gefunden? Einmal dirigiert die Methylgruppe den Zweitsubstituenten, also die Nitrogruppe, vorzugsweise in die ortho- oder para-Stellung. Die Nitrogruppe hingegen dirigiert den Zweitsubstituenten vorzugsweise in die meta-Stellung. Die Zweitsubstitution des Toluols links ergibt viel ortho-Isomer und viel para-Isomer, aber wenig meta-Isomer. Nitrobenzol gibt bei der Zweitsubstitution fast ausschließlich meta-Isomer und nur wenig ortho-Isomer und so gut, wie kein para-Isomer. Wir erklären nun diesen Unterschied mithilfe der mesomeren Grenzstrukturen des σ-Komplexes. Beginnen wir mit der ortho-Substitution. Der Substituent sei allgemein X und in ortho-Stellung dazu soll die Zweitsubstitution stattfinden. Und so sieht die 1. mesomere Grenzstruktur aus. Die positive Ladung befindet sich direkt am Substituenten X. Bei der 2. mesomeren Grenzstruktur liegt die positive Ladung dem Zweitsubstituenten gegenüber. Und dann gibt es noch diese

  3. mesomere Grenzstruktur. Welche Aussage erhalten wir? Wir versuchen, stabilisierende und destabilisierende Grenzstrukturen aufzufinden. Betrachten wir den Fall X=Methyl. In diesem Fall ist die Grenzstruktur links stabilisierend. Die Methylgruppe CH3 liefert Elektronen in das System. Die positive Ladung wird teilweise kompensiert. Es kommt zur Stabilisierung. Wie sieht es beim Nitrobenzol aus? X=NO2. In diesem Fall wirkt die mesomere Grenzstruktur links, destabilisierend. Die Nitrogruppe NO2 zieht Elektronen an und macht es somit der positiven Ladung noch schwerer. Folge: Destabilisierung. Schauen wir uns nun die Metasubstitution an. Das sind die 3 Grenzstrukturen. Die positiven Ladungen können nur an jedem 2. Kohlenstoffatom sitzen. Wie man sieht, kommt der Substituent X mit der positiven Ladung gar nicht in Berührung. Es gibt keine Substituentenwirkung, weder stabilisierend noch destabilierend. Wir können aber schon beide Moleküle, hinsichtlich meta und ortho, vergleichen. Beim Toluol, mit X=CH3, gab es bei ortho eine Stabilisierung, also ist meta weniger stabil als ortho. Bei Nitrobenzol, X=NO2, gab es bei ortho eine Destabilisierung, also ist meta stabiler als ortho. Betrachten wir nun die para-Substitution. Das sind die 3 Grenzstrukturen und nur in der Mittleren hat die positive Ladung Kontakt mit dem Erstsubstituenten. Betrachten wir X=CH3, Toluol. In diesem Fall ist die mittlere Grenzstruktur stabiler. Die Methylgruppe liefert Elektronen in das System und kompensiert teilweise die positive Ladung. Bei der meta-Substitution gab es keine stabilisierende Grenzstruktur, folglich erfolgt die para-Substitution eher, als die meta-Substitution. Und nun Nitrobenzol, X=NO2. Hier ist die mesomere Grenzstruktur in der Mitte instabiler als die beiden anderen. Die Nitrogruppe zieht Elektronen aus einem elektronenarmen System. Folge: Destabilisierung. Bei der meta-Substitution gab es eine solche Destabilisierung nicht, folglich verläuft die para-Substitution mit geringer Wahrscheinlichkeit, als die meta-Substitution. Achtung, noch ein Hinweis. Die beiden Nitrogruppen, blau umrandet und grün umrandet, das heißt, des Erst- und Zweitsubstituenten haben bei der Erklärung dieser Reaktion nichts miteinander zu tun. Damit wurde eine qualitative Erklärung für die experimentellen Befunde gegeben. Nun wollen wir verallgemeinern.  

  4. Wir schaffen Ordnung Betrachten wir einmal dieses einfach substituierte Benzolmolekül. Hinsichtlich der Zweitsubstitution gibt es nun sogenannte Substituenten 1. Ordnung. Diese Substituenten X dirigieren den Zweitsubstituenten in ortho-Stellung oder para-Stellung. Es handelt sich dabei um Elektronendonatoren, wie zum Beispiel die Methylgruppe. Außerdem gibt es Substituenten 2. Ordnung. Diese Substituenten X dirigieren den Zweitsubstituenten in meta-Stellung. Es handelt sich hier um Elektronenakzeptoren. Ein Beispiel dafür ist die Nitrogruppe NO2. Andere Substituenten 1. Ordnung sind Alkylreste, die OH-Gruppe, die OR-Gruppe, die NH2-Gruppe, die NR2-Gruppe oder die NHCO3-Gruppe. Substituenten 2. Ordnung sind auch die Sulfonsäuregruppe SO3H, die Aldehydgruppe CHO, die Gruppen COR, die Carboxygruppe, die Estergruppe oder die Cyanogruppe. Substituenten 1. Ordnung führen zur Erhöhung der Elektronendichte im Ring. Bei Substituenten 2. Ordnung wird die Elektronendichte im Ring vermindert. Daher ist bei der Zweitsubstitution die Reaktionsgeschwindigkeit bei Substituenten 1. Ordnung bedeutend höher, als bei Substituenten 2. Ordnung. 

  5. Die Halogene tanzen aus der Reihe Wenn man für X als Substituenten Fluor, Chlor, Brom oder Iod einsetzt, so kommt es zu einer Überraschung. Man höre und staune. Es handelt sich hier um Substituenten 1. Ordnung. Aber es sind doch Elektronenakzeptoren, wie kommt das? Durch die elektronenziehende Wirkung ist die Reaktionsgeschwindigkeit für die Halogene bedeutend geringer, als die Reaktionsgeschwindigkeit, wie zum Beispiel das Toluol. Das ergibt sich aus der verminderten Elektronendichte des Rings und dennoch orientieren sie in ortho- oder para-Stellung. Erklärbar ist das wieder mit dem σ-Komplex. Nehmen wir den Fall der ortho-Substitution, dann ergibt sich diese zusätzliche 4. mesomere Grenzstruktur. Auch für die para-Substitution kann man so eine 4. mesomere Grenzstruktur formulieren. Probiert es doch mal. Für die meta-Substitution hingegen geht das nicht. Probiert auch das einmal aus. Also ergibt sich, dass ortho- und para-Isomere leichter gebildet werden, als meta-Isomere, daher sind Halogene Substituenten 1. Ordnung.

  6. Zusammenfassung Wir haben im Video die elektrophile Substitution am einfach substituierten Benzolring betrachtet. Substituenten 1. Ordnung dirigieren dabei den Zweitsubstituenten in para- oder ortho-Stellung. Die Reaktionsgeschwindigkeit ist im Vergleich zum Benzol höher. Ausnahme sind die Halogene, dort sind die Reaktionsgeschwindigkeiten geringer. Alle übrigen Substituenten 1. Ordnung sind Elektronendonatoren. Substituenten 2. Ordnung führen zu einer Verminderung der Reaktionsgeschwindigkeit im Vergleich zum Benzol. Sie sind Elektronenakzeptoren. Ein typisches Beispiel für den 1. Fall ist die Methylgruppe CH3. Ein Beispiel für den 2. Fall ist die Nitrogruppe NO2. Und natürlich sind Halogene Elektronenakzeptoren.

Ich danke für eure Aufmerksamkeit. Alles Gute und viel Erfolg. Auf Wiedersehen!  

4 Kommentare

4 Kommentare
  1. Ganz herzlichen Dank für die netten Worte.
    Alles Gute und viel Erfolg

    Von André Otto, vor mehr als 4 Jahren
  2. Vielen lieben Dank für deine tollen Videos. Rettest meine Klausur. Liebe Grüße

    Von Ludwig Nickel, vor mehr als 4 Jahren
  3. Lieber Marius,
    vielen Dank für die interessante Frage. Ich finde es schön, dass Du Dich mit dem Video auseinandersetzt.
    Folgendes:
    Mesomere Grenzstrukturen muss man sehr vorsichtig verwenden. Vergleichbar sind nur solche mit gleicher Ladung / Ladungsverteilung. Die von Dir postulierte Grenzstruktur ist unwahrscheinlicher, instabiler als jene mit einfacher positiver Ladung.
    Aber du brauchst sie gar nicht; Es genügt hier die Grenzstrukturen bei o-, m- und p- Substitution miteinander zu vergleichen. Es ist völlig richtig, dass es für die m- Substitution beim sigma - Komplex KEINE STABILISIERENDE GRENZSTRUKTUR gibt.
    Aber: Für die o- sowie die p- substituierten sigma - Komplexe gibt es jeweils EINE DESTABILISIERENDE GRENZSTRUKTUR. Und zwar ist es in beiden Fällen die, wo sich die positive Ladung am Substituenten -CO-CH3 (oder -CHO) befindet. Da diese Elektronen anziehen und in ihrer Umgebung Elektronenmangel herrscht, werden die Systeme DESTABILISIERT. Daher entstehen die o- und p- substituierten Acetophenone (Benzaldehyde) langsamer als die m- Isomere.
    Alles Gute

    Von André Otto, vor mehr als 7 Jahren
  4. Guten Tag,

    ich frage mich, wie es mit dem Erstsubstituent CHO oder COR, sprich Benzaldehyd bzw. Acetophenon ausschaut. CHO und COR dirigieren bekanntlicherweise in m-Stellung. Erklärt habe ich mir es, dass es eine vierte mesomere Grenzstruktur gibt, in der eine Doppelbindung zum C-Atom des Erstsubstituenten anliegt und Sauerstoff eine negative Ladung enthält. Sauerstoff hat also ein Elektronenpaar aufgenommen. Das passt mit meiner Literatur überein -> -M-Effekt.
    Nun besitzt das aromatische System aber 2 positive Ladungen. Destabilisiert dies nicht?

    Mfg Marius

    Von Mariusrother, vor mehr als 7 Jahren

Zweitsubstitution am Aromaten Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Zweitsubstitution am Aromaten kannst du es wiederholen und üben.
  • Beschrifte die C-Atome am Toluol.

    Tipps

    Welche C-Atome haben den gleichen Abstand von der Methylgruppe?

    Lösung

    Der planare Benzolring weist eine hohe Symmetrie auf. Neben der einfachen Nummerierung der Kohlenstoffatome im Uhrzeigersinn gibt es daher eine weitere, chemisch deutlich sinnvollere Möglichkeit, die Kohlenstoffatome zu benennen.

    Bei einfach substituierten Benzolderivaten wird eine Spiegelebene durch den Substituenten gelegt. Damit ergeben sich nur noch drei Kohlenstoffatome, die benannt werden müssen, da zwei Paare von C-Atomen durch die Spiegelebene in einander überführt werden können.

    Die beiden C-Atome, die direkt neben dem Substituenten liegen, werden als ortho-Kohlenstoffatome bezeichnet, die beiden daneben als meta-Kohlenstoffatome. Das Kohlenstoffatom gegenüber dem Substituenten wird als para-Kohlenstoffatom bezeichnet.

  • Nenne die Kohlenstoffatome am Nitrobenzol, an denen eine Zweitsubstitution kaum stattfindet.

    Tipps

    Sauerstoff hat eine hohe Elektronegativität, daher trägt das Stickstoff-Atom eine positive Partialladung.

    Lösung

    Die mesomeren Grenzstrukturen der Nitro-Gruppe zeigen, dass das Stickstoff-Atom eine deutliche positive Partialladung trägt. Daher ist es eine stark elektronenziehende Gruppe, die die Elektronendichte im Benzolring verringert. Es handelt sich also um einen Substituenten zweiter Ordnung.

    Zweitsubstitutionen, die einen Übergangszustand mit verringerter Elektronendichte am Kohlenstoffatom, welches die Nitro-Gruppe trägt, verursachen, sind also sehr ungünstig. Die entsprechenden Reaktionsprodukte werden kaum erhalten. Dies ist bei einer Zweitsubstitution in meta- und in para-Stellung der Fall.

  • Ermittle die Häufigkeit der Zweitsubstitution an den C-Atomen.

    Tipps

    Bei Chlorbenzol ist der Übergangszustand bei der Zweitsubstitution mesomerie-stabilisiert.

    Lösung

    Bei dem Chlor-Substituenten handelt es sich um einen Substituenten erster Ordnung, obwohl er auf Grund der hohen Elektronegativität einen elektronenziehenden Charakter hat. Die Übergangszustände bei der Zweitsubstitution in ortho- und para-Stellung sind jedoch mesomerie-stabilisiert, der bei Zweitsubstitution in meta-Stellung jedoch nicht. Daher erfolgt die Substitution zu je etwa einem Drittel an den beiden C-Atomen in ortho-Stellung und am C-Atom in para-Stellung. Die C-Atome in meta-Stellung werden sehr selten substituiert.

    Die Carboxy-Gruppe ist ein Substituent zweiter Ordnung. Daher erfolgt die Zweitsubstitution hauptsächlich in gleichen Anteilen an den C-Atomen in meta-Position.

  • Entscheide, welche Versuchsergebnisse realistisch sind.

    Tipps

    Die Nummerierung beginnt am C-Atom mit dem höchstwertigen Substituenten und verläuft im Uhrzeigersinn.

    Lösung

    Hat man es mit mehrfachen Substitutionen an Aromaten zu tun, lohnt es sich immer, etwas genauer zu überlegen. Als erstes solltest du überlegen, ob der Erstsubstituent ein Substituent erster oder zweiter Ordnung ist. Bei Ethylbenzol ist der Erstsubstituent erster Ordnung, bei Benzonitril und Benzoesäure handelt es sich um Erstsubstituenten zweiter Ordnung.

    Als zweites muss man sich klar machen, welche Bedeutung die unterschiedlichen Möglichkeiten der Bezeichnung bei zweifach substituierten Aromaten haben. Gleichbedeutend ist die Benennung der Verbindungen mit den Vorsilben ortho- meta- und para- sowie die vorangestellte Kennzeichnung mit den Buchstaben o-, m-, oder p-. Diese sind einfach zu interpretieren, da dies mit den Regeln für die Zweitsubstitution übereinstimmt. Du stellst daher fest, dass es sich bei der ersten und der letzten Aussage der Aufgabe um sehr unwahrscheinliche Versuchsergebnisse handelt.

    Die Nomenklatur mit nummerierten C-Atomen des Benzolrings erfordert, dass du diese in die besser handhabbare ortho-, meta- oder para-Schreibweise „übersetzt“. 1,3-Substituiert ist gleichbedeutend mit der meta-Substitution. Daher ist der Ausgang des dritten geschilderten Experimentes sehr wahrscheinlich.

  • Bestimme Substituenten, die den Zweitsubstituenten in meta-Stellung dirigieren.

    Tipps

    Gruppen, die wegen möglichen Doppelbindungen mesomere Grenzstrukturen bilden können, können häufig Elektronen aufnehmen.

    Lösung

    Funktionelle Gruppen am Benzoring können einen elektronenziehenden oder elektronenschiebenden Effekt haben und so die Elektronendichte im Benzolring verändern. Dafür sind hauptsächlich zwei Faktoren verantwortlich:

    • Substituenten, die mit einem Atom mit hoher Elektronendichte an den Benzolring gebunden sind, erhöhen die Elektronendichte häufig. Dies ist zum Beispiel beim Sauerstoffatom der Hydroxy-Gruppe der Fall.
    • Eine geringe Elektronendichte an dem Atom, das an den Benzolring bindet, kann an Doppelbindungen am Substituenten erkannt werden. Hier besteht die Möglichkeit, mesomere Grenzstrukturen zu formulieren, die eine positive Ladung an dem Atom tragen, das an den Benzolring gebunden ist.

  • Analysiere die Drittsubstitution am p-Nitrotoluol.

    Tipps

    Welcher Ordnung sind die beiden Substituenten?

    Lösung

    Der Methyl-Substituent ist ein Substituent erster Ordnung. Daher wird der Übergangszustand stabilisiert, wenn eine der mesomeren Grenzstrukturen eine positive Ladung am C-Atom trägt, an das die Methylgruppe gebunden ist. Dies ist bei der dritten dargestellten Grenzstruktur der Fall.

    Der Nitro-Substituent in para-Stellung zur Methyl-Gruppe ist ein Substituent zweiter Ordnung. Ist eine mesomere Grenzstruktur mit positiver Ladung am C-Atom, an welches die Nitro-Gruppe gebunden ist, vorhanden, so ist der Übergangszustand instabiler. Dies ist bei der dritten Grenzstruktur der Fall, daher ist der $\sigma$-Komplex destabilisiert.

    Das Hauptprodukt ist also das oben dargestellte 1-Methyl-2,4-dinitrobenzol oder 2,4-Dinitrotoluol.

30 Tage kostenlos testen
Mit Spaß Noten verbessern
und vollen Zugriff erhalten auf

2.679

sofaheld-Level

6.290

vorgefertigte
Vokabeln

10.220

Lernvideos

42.158

Übungen

37.248

Arbeitsblätter

24h

Hilfe von Lehrer*
innen

laufender Yeti

Inhalte für alle Fächer und Schulstufen.
Von Expert*innen erstellt und angepasst an die Lehrpläne der Bundesländer.

30 Tage kostenlos testen

Testphase jederzeit online beenden